區(qū)域能源項目優(yōu)化設(shè)計及規(guī)劃思路探討

盧軍，張少良，楊柳

（重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400030）

區(qū)域能源項目優(yōu)化設(shè)計及規(guī)劃思路探討

盧軍，張少良，楊柳

（重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400030）

該文圍繞區(qū)域能源系統(tǒng)中負(fù)荷預(yù)測、系統(tǒng)形式、冷熱源配置、輸配冷損失及冷熱價制定等相關(guān)問題，結(jié)合“3E”優(yōu)化目標(biāo)，對區(qū)域能源項目的優(yōu)化設(shè)計及規(guī)劃思路展開分析與探討。

區(qū)域能源；規(guī)劃；分布式能源；數(shù)值模擬；3E；優(yōu)化目標(biāo)

能源供應(yīng)隨著人們生活水平和生產(chǎn)力的不斷提高而日趨緊張。國際能源機構(gòu)指出，到2030年全球一次能源需求量將增加四成[1]。中國的發(fā)電和供熱仍以化石燃料為主，現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)多為傳統(tǒng)發(fā)電形式，平均發(fā)電效率只有37%左右，其余63%的能量轉(zhuǎn)化成余熱白白浪費。改變高污染、高能耗的粗放型經(jīng)濟增長方式，找到一條保障能源持續(xù)供應(yīng)、提高能源利用效率的發(fā)展道路是當(dāng)務(wù)之急。

分布式能源（Distributed Energy Resources）是一種新型的能量供應(yīng)概念，因其可提高能源利用效率、降低建筑能耗、緩解電力供需矛盾登上歷史舞臺。分布式能源的典型系統(tǒng)形式為冷熱電聯(lián)供，通過對一次能源（煤、天然氣等）轉(zhuǎn)換技術(shù)的集成運用，為用戶同時提供冷、熱、電等多種能源。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)多采用燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機、微燃機、斯特林機等作為整個聯(lián)供系統(tǒng)的產(chǎn)能裝置[2-3]。

聯(lián)供系統(tǒng)中，用戶既可自成系統(tǒng)，也可與城市電網(wǎng)并聯(lián)運行；機組可獨立運行，也可多臺并聯(lián)運行。冷熱電聯(lián)供包含三層含義：一是利用天然氣等清潔能源把發(fā)電和供能結(jié)合于一體的能源管理；二是能源的梯級利用和綜合利用，提高能源的綜合效益；三是通過自控系統(tǒng)和智能管理平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行[4]。

本文針對區(qū)域能源項目負(fù)荷預(yù)測、能源系統(tǒng)形式、輸配系統(tǒng)冷量損失、冷價制定等關(guān)鍵問題，結(jié)合“3E”優(yōu)化目標(biāo)，開發(fā)適用于典型聯(lián)供系統(tǒng)形式的數(shù)值模擬軟件，對區(qū)域能源項目的優(yōu)化設(shè)計及規(guī)劃思路進行分析與探討。

1 負(fù)荷預(yù)測

建筑群的逐時冷熱電負(fù)荷是區(qū)域能源系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。建筑群的負(fù)荷變化受諸多因素影響，室外氣象參數(shù)、建筑功能、建筑內(nèi)擾等因素的改變均會引起建筑負(fù)荷特性的變化。

區(qū)域能源系統(tǒng)中，不同功能建筑物峰值負(fù)荷出現(xiàn)時段不盡相同。對于區(qū)域供冷（熱）系統(tǒng)，若僅通過冷熱指標(biāo)與空調(diào)面積計算冷熱負(fù)荷，直接累加確定總?cè)萘?，會?dǎo)致裝機容量過大、管網(wǎng)初投資過高；此外，當(dāng)區(qū)域能源系統(tǒng)負(fù)荷率較低時，還會對機組的效率造成嚴(yán)重影響。因此，需考慮一定的同時使用系數(shù)，在對輸配管網(wǎng)冷（熱）量損失進行計算的基礎(chǔ)上，將空調(diào)負(fù)荷與冷（熱）量損失逐時疊加，得到整個區(qū)域能源項目的逐時負(fù)荷。

在預(yù)測區(qū)域建筑群空調(diào)負(fù)荷時，可利用系統(tǒng)總負(fù)荷逐時累加值除以設(shè)計負(fù)荷逐時累加值得到“滿負(fù)荷折算率”，利用該折算率乘以總設(shè)計小時數(shù)，得到系統(tǒng)的滿負(fù)荷當(dāng)量小時數(shù)。區(qū)域能源項目中，系統(tǒng)滿負(fù)荷運行時刻較少，因此需要結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷頻率變化特性，綜合確定系統(tǒng)容量和設(shè)備臺數(shù)；機組容量與負(fù)荷頻率變化相匹配，是保證系統(tǒng)高效運行的前提。

分布式能源項目A位于廣西省南寧市，區(qū)域建筑群主要由辦公建筑、商業(yè)建筑、酒店以及物流廣場所組成。夏季，區(qū)域集中冷源為辦公建筑、商業(yè)建筑、酒店及物流廣場供冷；冬季，區(qū)域集中熱源為酒店供熱；分布式能源站全年為酒店供應(yīng)生活熱水。

利用DeST能耗模擬軟件，建立典型建筑模型，對各類建筑的空調(diào)逐時負(fù)荷進行動態(tài)模擬。將建筑冷負(fù)荷與輸配冷損失所引起的附加負(fù)荷逐時疊加，得到項目的逐時總冷負(fù)荷。項目A總冷負(fù)荷最大值183.59MW，最大負(fù)荷出現(xiàn)時間是5223h；該項目位于夏熱冬暖地區(qū)，年平均室外氣溫較高，故熱負(fù)荷較小，設(shè)計日最大熱負(fù)荷3052.7kW。項目A裝機容量165.42MW，全年累計冷負(fù)荷580385.5MWh，空調(diào)季部分冷負(fù)荷時間頻率分布見表1。

表1 空調(diào)季部分冷負(fù)荷時間頻率表

項目A有41.9%的時間處于低負(fù)荷工況運行，系統(tǒng)負(fù)荷率為30%～40%；滿負(fù)荷運行的時刻少，僅有2.19%。因此，在對系統(tǒng)容量進行配置時，需綜合考慮區(qū)域負(fù)荷頻率特性，盡可能保證區(qū)域能源系統(tǒng)的高效運行。

對于生活熱水負(fù)荷以及電負(fù)荷，利用分?jǐn)偙壤╗5]，借助設(shè)計負(fù)荷指標(biāo)和實測統(tǒng)計所得的各類建筑逐時逐月負(fù)荷特征，模擬逐時負(fù)荷變化，提高負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性。

建筑的電力負(fù)荷主要由不同建筑功能房間各種用電設(shè)備構(gòu)成，包括了照明、空調(diào)、動力運輸、插座小動力以及生活水泵、送排風(fēng)機、廚房動力和弱電機房等。與生活熱水計算方法類似，參考文獻[5]提出的不同類型建筑逐時、逐月用電負(fù)荷分?jǐn)偙壤卣?，依?jù)該分?jǐn)偙壤碗娯?fù)荷額定指標(biāo)計算單位面積逐時電負(fù)荷指標(biāo)。

2 輸配冷損失

在區(qū)域能源系統(tǒng)中，管徑大，輸送半徑大，夏季供冷時，室外高溫及太陽輻射會導(dǎo)致管內(nèi)載冷介質(zhì)溫度升高，供冷品質(zhì)下降。應(yīng)同時考慮水泵及管路的冷量損失，水泵能量轉(zhuǎn)化為熱能，被輸送介質(zhì)帶走；輸送流體溫度低，向土壤及地面空氣傳遞冷量，造成管路冷量損失[6]。

供冷管道所選用保冷材料及保冷層厚度直接影響整個供冷系統(tǒng)的初投資及運行費用，若保冷材料或保冷層厚度選擇不當(dāng)，不但會導(dǎo)致冷量大量損失，還有可能出現(xiàn)設(shè)備和管道外表面結(jié)露[7]。合理選取保溫材料及保溫層厚度是降低輸配系統(tǒng)冷熱量損失，有效降低區(qū)域能源系統(tǒng)輸配能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益的前提[8]。

實際工程中，設(shè)計人員往往對管道保冷設(shè)計的重要性認(rèn)識不足，或是僅憑借經(jīng)驗、按照產(chǎn)品樣本簡單估算，這些不考慮地區(qū)氣候差異和保冷工程參數(shù)的做法勢必會影響管道保冷效果和經(jīng)濟性，造成能源的巨大浪費。特別是，隨著蓄冷技術(shù)的不斷發(fā)展，如何保證低溫大溫差輸配系統(tǒng)的供冷品質(zhì)成為一項新的課題。因此，針對國內(nèi)區(qū)域供冷項目的保冷現(xiàn)狀，分析和研究輸配系統(tǒng)冷損失計算，編制綜合考慮地區(qū)氣候差異等因素的“區(qū)域供冷冷損失計算軟件”，對于管網(wǎng)的保冷設(shè)計具有重要意義。

以輸配系統(tǒng)冷損失計算模型為基礎(chǔ)，開發(fā)“區(qū)域供冷冷損失計算軟件”，軟件界面見圖1及圖2，該軟件可實現(xiàn)“直埋式”和“管溝式”兩種敷設(shè)形式管道的冷損失計算，通過確定管道和水泵在不同負(fù)荷率下所引起的冷量損失及溫升，分析整個管網(wǎng)冷損失。

區(qū)域供冷項目規(guī)劃設(shè)計時，應(yīng)計算不同負(fù)荷率工況的冷損失率（即冷量損失占總供冷量的百分比）；特別是負(fù)荷較小時，管內(nèi)流量較小，冷損失變化不大，但引起溫升較大，需進行嚴(yán)格計算，控制冷損失率不超過5%。

圖1 區(qū)域供冷冷損失計算軟件界面（直埋式）

圖2 區(qū)域供冷冷損失計算軟件界面（管溝式）

3 區(qū)域能源系統(tǒng)形式

依據(jù)供能方式的不同，區(qū)域能源系統(tǒng)可分為常規(guī)能源區(qū)域供冷供熱、燃?xì)饫錈犭娐?lián)供以及帶有蓄能模式的供能系統(tǒng)。

常規(guī)能源區(qū)域供冷供熱是利用水源熱泵（冷水）機組及燃?xì)忮仩t作為區(qū)域集中冷熱源，承擔(dān)區(qū)域建筑群冷熱負(fù)荷的系統(tǒng)形式。

燃?xì)饫錈犭娐?lián)供是將制冷、供熱及發(fā)電過程一體化，燃料高品位能量用于發(fā)電，其排熱品位較低，用于提供冷（熱）量，形成冷熱電聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)了能量的梯級利用，能源利用效率大大提高。

蓄能供能系統(tǒng)利用蓄能裝置在系統(tǒng)低負(fù)荷時儲存多余能量，在用能尖峰時段聯(lián)合供能，削減了區(qū)域供能系統(tǒng)的高峰負(fù)荷需求，減少部分負(fù)荷工作時間，有效降低系統(tǒng)裝機容量，也避免了高峰時刻的高能源價格。我國南方地區(qū)，夏季炎熱潮濕，冷負(fù)荷非常大，夏季冷負(fù)荷尖峰與電力負(fù)荷峰值時段重合，采用帶有蓄冷裝置的區(qū)域供冷系統(tǒng)，可顯著降低系統(tǒng)運行能耗，經(jīng)濟效益顯著。

4 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

4.1 發(fā)電系統(tǒng)

動力發(fā)電系統(tǒng)是分布式能源聯(lián)供系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，發(fā)電裝置決定聯(lián)供系統(tǒng)的形式。常見動力發(fā)電裝置有燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機、微型燃?xì)廨啓C和燃料電池等。

燃?xì)廨啓C安裝簡單，初投資低，排氣溫度高，流量大，多用于大型區(qū)域能源項目；內(nèi)燃機由于其發(fā)電效率高、部分負(fù)荷性能較好、對燃?xì)鈮毫σ筝^低的優(yōu)勢，在中大型樓宇或區(qū)域能源項目中得到廣泛應(yīng)用；微型燃?xì)廨啓C運動部件較少，重量輕，噪音小，污染較小，缺點是初投資高，發(fā)電效率低。

4.2 冷熱源形式

發(fā)電系統(tǒng)類型決定了聯(lián)供系統(tǒng)的余熱利用形式，燃?xì)廨啓C的余熱形式為高溫蒸汽及高溫?zé)崴?，為溴化鋰吸收式制冷機的使用提供絕佳條件；內(nèi)燃機的余熱形式為高溫?zé)煔夂透邷乩鋮s水，為煙氣熱水型吸收機的使用提供可能。根據(jù)不同發(fā)電原理及余熱形式，確定區(qū)域能源系統(tǒng)不同的聯(lián)供流程。

廣西省南寧分布式能源項目A采用區(qū)域能源站的發(fā)電余熱（蒸汽、熱水等）來制取冷（熱）水，承擔(dān)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)空調(diào)及生活熱水負(fù)荷需求。發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量在滿足用戶用電和制冷系統(tǒng)用電后，多余電力可以上網(wǎng)，不足的電力可以從電網(wǎng)購入。采用蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機、熱水型溴化鋰吸收式制冷機以及離心式冷水機組聯(lián)合承擔(dān)區(qū)域建筑群冷負(fù)荷。

夏季，優(yōu)先開啟熱水和蒸汽型溴化鋰機組制冷，當(dāng)空調(diào)冷負(fù)荷高于溴化鋰制冷機總裝機容量時，開啟電制冷機組。冬季，利用煙氣換熱器和汽水換熱機組提供的高溫?zé)崴诙壵緝?nèi)換熱得到空調(diào)熱水，滿足供熱需求。由余熱鍋爐低壓蒸汽提供的高溫?zé)崴?，在二級站?nèi)通過水-水換熱器換熱，制取生活熱水。

重慶某區(qū)域能源項目B采用區(qū)域能源站的余熱制取冷（熱）水，承擔(dān)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)空調(diào)及生活熱水負(fù)荷。該項目以燃?xì)鈨?nèi)燃機作為發(fā)電裝置，以煙氣型吸收機、蒸汽型溴化鋰吸收機、江水源熱泵以及江水源冷水機組作為冷熱源。

夏季，發(fā)電機的高溫?zé)煔膺M入煙氣熱水型直燃機的高溫發(fā)生器，發(fā)電機高溫冷卻水進入煙氣熱水型直燃機的低溫發(fā)生器，共同驅(qū)動溴化鋰單、雙效復(fù)合型吸收式機組制冷，冷量不足部分由江水源機組補充。冬季，發(fā)電機組高溫?zé)煔膺M入煙氣熱水型直燃機的高溫發(fā)生器，內(nèi)燃機高溫冷卻水進入直燃機的低溫發(fā)生器，二者共同作為空調(diào)熱水的熱源；熱量不足部分由江水源熱泵作為補充。

5 冷價制定

管網(wǎng)初投資包括管網(wǎng)建設(shè)投資，如管材、附件、保溫及施工等費用，可表示為管徑的函數(shù)；根據(jù)全國市政工程投資估算指標(biāo)，可采用管網(wǎng)綜合造價計算初投資。但該估算指標(biāo)只列出公稱直徑從DN50到DN1000的管道單位長度造價，對于管徑大于DN1000的管道單位長度造價，則需擬合線性回歸模型進行計算。

區(qū)域能源項目的年運行費用主要包括電費、管網(wǎng)冷損失費、管網(wǎng)折舊及維修年均費；總成本費用包括維護人員費用、修理費、管理費、營銷費、技術(shù)開發(fā)費等，總成本費用可利用指標(biāo)估算。將機組和管網(wǎng)的初投資折算成年度費用，在考慮運行費用基礎(chǔ)上，選取合適的投資回收期和收益，結(jié)合其他價格影響因素，推算出冷價[9]。

末端用戶的用能需求是逐時變化的，分布式能源系統(tǒng)供冷（熱）量與系統(tǒng)發(fā)電量相互影響，系統(tǒng)常處于部分負(fù)荷運行狀態(tài)。為了合理確定冷（熱）價，應(yīng)逐時計算用戶冷（熱）負(fù)荷，對空調(diào)系統(tǒng)耗電量進行動態(tài)分析，從而求解上網(wǎng)電量。此外，區(qū)域能源系統(tǒng)輸配冷量大，輸送距離遠，冷量損失大，由冷量損失引起的系統(tǒng)耗電增量也應(yīng)納入冷價計量之內(nèi)。

區(qū)域供冷（熱）項目的冷（熱）價應(yīng)以同時滿足投資方和冷（熱）用戶的承擔(dān)能力為原則，冷（熱）價不宜過低，導(dǎo)致投資方長期不能回收成本；也不宜高于單體建筑集中制冷（熱）的費用，降低冷（熱）用戶購冷（熱）的積極性。

6 數(shù)值模擬軟件

大型區(qū)域能源項目系統(tǒng)形式復(fù)雜，冷熱源設(shè)備種類繁多，在項目規(guī)劃設(shè)計階段，人工計算系統(tǒng)能耗難度較大，費時較長。故有必要開發(fā)不同類型的區(qū)域能源優(yōu)化設(shè)計評估軟件，通過軟件數(shù)值模擬，優(yōu)化系統(tǒng)配置，并最終指導(dǎo)項目的高效節(jié)能運行。

以燃?xì)?蒸汽輪機循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)變工況模型、冷源模型（蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機、熱水型溴化鋰吸收式制冷機、電制冷機）以及輸配系統(tǒng)能耗模型為基礎(chǔ)，建立整個分布式能源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)“冷熱源及輸配系統(tǒng)能耗分析軟件”，軟件主界面見圖3。

圖3 軟件主界面

導(dǎo)入?yún)^(qū)域能源系統(tǒng)各地塊全年動態(tài)負(fù)荷，結(jié)合冷源模型、冷卻塔模型、輸配系統(tǒng)模型、機組群控模型以及輸配系統(tǒng)控制模型，分析系統(tǒng)能耗特征，可實現(xiàn)“一機對一塔”、“非一機對一塔”以及冷凍水二次側(cè)定（變）流量的系統(tǒng)能耗模擬；此外，軟件設(shè)有區(qū)域供冷系統(tǒng)“冷價概算”模塊，可為業(yè)主方的冷價設(shè)定提供參考。

以燃?xì)鈨?nèi)燃機變工況發(fā)電模型、冷熱源機組能耗模型（煙氣型直燃機數(shù)學(xué)模型、蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機能耗模型、江水源熱泵能耗模型、電制冷機組能耗模型）以及輸配系統(tǒng)能耗模型為基礎(chǔ)，開發(fā)分布式能源“系統(tǒng)性能分析軟件”，軟件主界面見圖4。

圖4 軟件主界面

導(dǎo)入?yún)^(qū)域能源系統(tǒng)各地塊全年動態(tài)負(fù)荷，結(jié)合冷源模型、冷熱源系統(tǒng)模型、輸配系統(tǒng)模型以及機組群控模型，分析系統(tǒng)能耗特征，實現(xiàn)不同工況下系統(tǒng)能耗的模擬；此外，軟件設(shè)有分布式能源系統(tǒng)“經(jīng)濟性評價”及“冷價概算”模塊。

7 區(qū)域能源項目3E優(yōu)化目標(biāo)

區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，需建立以能源、經(jīng)濟和環(huán)境為基礎(chǔ)的多目標(biāo)優(yōu)化方程，以總效率（最大）為能源目標(biāo)，以凈現(xiàn)值（最大）為經(jīng)濟類目標(biāo)，以COx、NOx排放量（最?。┳鳛榄h(huán)境類目標(biāo)。

效率目標(biāo)：是推動能量轉(zhuǎn)化過程的動力，區(qū)域能源系統(tǒng)運行過程中存在不可逆熱損失，采用“年平均效率”作為能源類優(yōu)化目標(biāo)，強調(diào)不同溫度所對應(yīng)的不同品位熱能，得出有用功的利用情況，揭示系統(tǒng)中能量利用的薄弱環(huán)節(jié)。

凈現(xiàn)值目標(biāo)：區(qū)域能源系統(tǒng)多涉及供能單位收支問題，故采用“凈現(xiàn)值”作為經(jīng)濟類優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)第一年支出包括初投資（能源站建設(shè)費用）和相關(guān)運行費用，其后每年支出僅有運行費用。通常，樓宇型聯(lián)供系統(tǒng)初投資可根據(jù)設(shè)備安裝容量預(yù)估，區(qū)域型能源站多以建設(shè)大型發(fā)電廠為基礎(chǔ)，除了設(shè)備購置費以外，還包括了建設(shè)工程費、安裝工程費以及其他一些附屬費用。因此，建議將初投資表示為關(guān)于決策變量（各部件設(shè)備容量）的函數(shù)。運行相關(guān)費用主要包括年運行費用、年維護管理費和稅收等；年運行費用是由于系統(tǒng)能量消耗包括現(xiàn)場燃料消耗、水消耗和從電網(wǎng)下載電能三部分所產(chǎn)生的費用；年維護管理費包括人工費和維護費用；稅收包括企業(yè)所得稅、增值稅和城建教育費附加稅。

污染物排放目標(biāo)：相比于分散系統(tǒng)而言，采用區(qū)域能源系統(tǒng)所能夠減少的污染物排放量，主要包括CO2、SO2、NOx等。

8 結(jié)論

區(qū)域能源系統(tǒng)利用同時使用系數(shù)，有效降低系統(tǒng)裝機容量，經(jīng)濟效益顯著。采用分布式能源系統(tǒng)供能，利用天然氣發(fā)電，發(fā)電效率高，減少了電力輸配線損；發(fā)電廢熱作為空調(diào)熱水及生活熱水熱源，實現(xiàn)熱量梯級利用，能源綜合利用率較高，節(jié)能效益明顯。區(qū)域能源項目規(guī)劃設(shè)計階段，在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合3E目標(biāo)，開發(fā)設(shè)計評估軟件，優(yōu)化系統(tǒng)配置，具有重要意義。

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責(zé)任編輯：孫蘇

Discussion on Optimization Design and Planning of Regional Energy Project

Based on the relevantissues of load prediction,system form,hotand cold source configuration,cold loss ofdistribution and cold and hotprice determination and,combined with the optimization objective of 3E,the optimization design and planning of regionalenergy projectare analyzed and discussed.

regionalenergy；planning；distributed energy resource；numericalsimulation；3E；optimization objective

TK01+9

A

1671-9107（2014）10-0005-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.10.005

2014-07-18

盧軍（1966-），男，四川渠縣人，博士，教授，主要從事建筑節(jié)能研究工作。